基于改進(jìn)G1-MCW的西北地區(qū)渡槽病害危險(xiǎn)性灰色聚類分析

逯曄坤，瞿 浩

(中鐵二局集團(tuán)勘測設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司， 四川 成都 610031)

渡槽是輸送渠道水流跨越河渠、溪谷、洼地和道路的架空水槽[1-2]。隨著調(diào)水工程(南水北調(diào)、引黃入京、引灤入津、引黃入晉、引大入秦等)的實(shí)施，渡槽作為一種重要的輸水建筑物得到了大量的建設(shè)，大型渡槽常采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)，相關(guān)研究成果相繼出現(xiàn)[3]。我國西北地區(qū)的水資源較為短缺，在相關(guān)調(diào)水工程建設(shè)中采用了大量渡槽進(jìn)行輸水，受西北地區(qū)條件影響，渡槽病害的產(chǎn)生嚴(yán)重影響到渡槽的正常使用，故對西北地區(qū)渡槽病害危險(xiǎn)性進(jìn)行分析尤為重要。

國外渡槽建造較少，研究文獻(xiàn)不多，且多關(guān)注渡槽抗震設(shè)計(jì)[4]。利用知識圖譜可視化軟件CiteSpace對國內(nèi)渡槽研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，得出國內(nèi)渡槽研究多為地震響應(yīng)、流固耦合及溫度應(yīng)力對渡槽結(jié)構(gòu)的影響問題。張威等[5]通過混凝土連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)和概率密度演化理論,結(jié)合物理隨機(jī)地震動(dòng)建模方法和精細(xì)化有限元分析程序,建立了大型渡槽結(jié)構(gòu)隨機(jī)動(dòng)力反應(yīng)分析與可靠度評估框架；王海波等[6]通過振動(dòng)臺試驗(yàn)研究渡槽與水體的動(dòng)力相互作用，確定大型薄壁渡槽中水體對結(jié)構(gòu)自振頻率及渡槽兩端支座力產(chǎn)生的重要影響；馬虎迎[7]對冬季封閉式箱型渡槽的溫度與應(yīng)力變化狀況進(jìn)行了研究；王永平等[8]利用不確定層次分析法及群判斷相關(guān)理論確定指標(biāo)權(quán)重，構(gòu)建渡槽綜合評價(jià)體系；徐存東等[9]將影響渡槽結(jié)構(gòu)耐久性的要素分解為環(huán)境、材料、人力三方面，并利用模糊層次分析法對其耐久性綜合評估；郭瑞等[10]對模糊綜合評價(jià)法的主因素突出型算子以及加權(quán)平均型算子加以改進(jìn)得到兩種新的Fuzzy合成算子，并在渡槽工程風(fēng)險(xiǎn)評估中進(jìn)行應(yīng)用；尚峰等[11]運(yùn)用有限元軟件模擬了渡槽在各工況下靜、動(dòng)力狀態(tài),對鋼筋混凝土渡槽局部與整體的安全穩(wěn)定性進(jìn)行多角度科學(xué)的評價(jià)與病害分析；祝彥知等[12]以在役渡槽碳化深度為基本控制參數(shù)，利用一次二階矩法建立碳化深度隨時(shí)間變化的時(shí)變模糊可靠度模型。

針對西北地區(qū)渡槽病害危險(xiǎn)性分析暫為缺少，本文提出改進(jìn)G1-MCW的渡槽病害危險(xiǎn)性灰色聚類分析模型，并以引大入秦工程為例進(jìn)行評價(jià)分析，以此為西北地區(qū)在役渡槽運(yùn)行及維護(hù)提供一定參考。

1 研究方法

1.1 改進(jìn)G1-MCW

改進(jìn)G1-MCW(Mixed Cross Weighting，混合交叉賦權(quán))是將G1法中人為主觀確定相鄰指標(biāo)重要性程度用各評價(jià)指標(biāo)的變異系數(shù)之比確定其重要性程度的方法代替，使主觀賦權(quán)G1法和客觀賦權(quán)變異系數(shù)法巧妙的有效組合，通過將指標(biāo)層對準(zhǔn)則層確定的權(quán)重和準(zhǔn)則層對目標(biāo)層確定的權(quán)重進(jìn)行混合交叉確定出最終指標(biāo)對總目標(biāo)權(quán)重的賦權(quán)方法[13-14]。具體步驟如下：

(1) 通過相關(guān)專家確定各評價(jià)指標(biāo)重要性程度排序關(guān)系。

(2) 計(jì)算各指標(biāo)的變異系數(shù)。

(1)

(2)

式中：σk為第k個(gè)評價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差；Ck為第k個(gè)評價(jià)指標(biāo)的變異系數(shù)值。

(3) 確定相鄰指標(biāo)重要性程度比值rk：

(3)

(4) 根據(jù)上述確定的重要性程度比值，計(jì)算第m個(gè)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重ωm：

(4)

(5) 依次計(jì)算第m-1，m-2，…，2，1個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

ωk-1=rkωk，k=m，m-1，…，3，2

(5)

(6) 重復(fù)上述指標(biāo)層對準(zhǔn)則層的權(quán)重確定步驟，進(jìn)行準(zhǔn)則層對目標(biāo)層的權(quán)重確定，最終確定指標(biāo)對總目標(biāo)的權(quán)重。

(6)

1.2 灰色定權(quán)聚類

灰色定權(quán)聚類是有效解決聚類指標(biāo)意義、量綱不同的一種評價(jià)方法，主要適用于“少數(shù)據(jù)”、“貧信息”對象的類別劃分和聚類分析[15-16]。其分析評價(jià)步驟如下：

(1) 根據(jù)評價(jià)對象情況及評價(jià)重點(diǎn)選取聚類指標(biāo)，并進(jìn)行指標(biāo)的灰類劃分。

(3) 確定評價(jià)指標(biāo)的聚類權(quán)ηj(j=1,2,…,n)。

(7)

由此可得到聚類系數(shù)矩陣M，即：

(8)

(5) 根據(jù)公式(8)判斷對象i所屬灰類k*。

(9)

2 西北地區(qū)渡槽病害危險(xiǎn)性評價(jià)理論體系

2.1 評價(jià)指標(biāo)選取及等級劃分

渡槽破壞原因主要包括地震、風(fēng)毀、水毀、耐久性問題、超載破壞及設(shè)計(jì)不合理問題，較自然災(zāi)害所帶來的危害外，自身病害所產(chǎn)生的危害為目前渡槽普遍面臨的問題。根據(jù)西北地區(qū)特點(diǎn)和病害發(fā)生機(jī)理，確定典型病害因素，其中渡槽表面病害為最常見的病害之一，由于表面不同程度的受損，破壞結(jié)構(gòu)整體性、削弱結(jié)構(gòu)承載力，導(dǎo)致內(nèi)部病害的產(chǎn)生及外界環(huán)境影響加重，從而影響渡槽正常運(yùn)行，故將渡槽病害按外表狀況、內(nèi)部狀況和外界環(huán)境進(jìn)行劃分。外表狀況為混凝土裂縫Z1、混凝土碳化Z2、混凝土剝蝕Z3；內(nèi)部狀況為滲漏Z4、鋼筋銹蝕Z5、結(jié)構(gòu)承載力Z6；外界環(huán)境為凍融循環(huán)Z7、土體凍脹Z8。參考《水工混凝土建筑物缺陷檢測和評估》[17](DL/T 5251—2010)、《水工混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測技術(shù)規(guī)程》[18](SL 713—2015)、《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》[19](SL 23—2006)及文獻(xiàn)[ 20]，將渡槽病害危險(xiǎn)性評價(jià)的指標(biāo)進(jìn)行等級劃分，見表1。

表1 病害指標(biāo)及危險(xiǎn)等級劃分

上述指標(biāo)中，混凝土剝蝕、滲漏及鋼筋銹蝕三項(xiàng)較難定量劃分等級范圍，故采用專家賦值(分值為0～100，分值越大代表越危險(xiǎn))的方法進(jìn)行劃分等級，其劃分范圍依次為：輕度[0，29]、中度[30，59]、重度[60，89]、極度[90，100]。

2.2 改進(jìn)G1-MCW的渡槽病害危險(xiǎn)性灰色聚類評價(jià)流程

(1) 根據(jù)西北地區(qū)在役渡槽情況及上述選取的聚類指標(biāo)，將指標(biāo)劃分為4個(gè)灰類，即：輕度危險(xiǎn)(灰類1)、中度危險(xiǎn)(灰類2)、重度危險(xiǎn)(灰類3)、極度危險(xiǎn)(灰類4)。

以指標(biāo)混凝土裂縫Z1為例，建立可能度函數(shù)圖像(見圖1)，根據(jù)圖1分別構(gòu)造其相對應(yīng)的可能度函數(shù)，即：

圖1 Z1的可能度函數(shù)

具體情況見表2。

(3) 采用改進(jìn)G1-MCW確定各病害指標(biāo)的聚類權(quán)。

(4) 根據(jù)各病害指標(biāo)的可能度函數(shù)、聚類權(quán)和觀測值，確定渡槽病害危險(xiǎn)性的灰色定權(quán)聚類系數(shù)，進(jìn)而判斷其危險(xiǎn)性程度。

表2 病害指標(biāo)對應(yīng)各灰類的可能度函數(shù)

3 實(shí)例分析

3.1 工程背景及數(shù)據(jù)

引大入秦工程是將流經(jīng)青海、甘肅兩省交界處的大通河水調(diào)至100 km以外，蘭州市以北60 km處干旱缺水的秦王川地區(qū)的大型跨流域自流灌溉工程，其具有長距離、跨流域、大流量的特點(diǎn)，被稱為“中國的地下運(yùn)河”，工程以引水樞紐總干渠、東一干渠和東二干渠為主，穿越多種地層結(jié)構(gòu)，地質(zhì)條件復(fù)雜(風(fēng)化、坍塌、滑坡、風(fēng)積流動(dòng)砂丘，地表濕陷等)，運(yùn)行多年后干渠中各渡槽相繼出現(xiàn)沉陷、止水老化、填料局部脫落等各種病險(xiǎn)問題。選取引大入秦工程總干渠渡槽中的菜子灣渡槽A1、鐵城溝渡槽A2、天王溝渡槽A3和大沙溝渡槽A4；東一干渠渡槽中的南支溝渡槽A5和磙子溝渡槽A6；東二干渠渡槽中的香爐山渡槽A7、林坪溝渡槽A8、四灣溝渡槽A9、莊浪河渡槽A10、紅沙川渡槽A11、王海溝渡槽A12、鄧家咀渡槽A13和黃羊川渡槽A14共14座渡槽為典型對象，進(jìn)行病害危險(xiǎn)性評價(jià)，其基本數(shù)據(jù)見表3。

表3 渡槽病害指標(biāo)基本數(shù)據(jù)

3.2 確定各指標(biāo)的聚類權(quán)

正向指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理：

(9)

負(fù)向指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理：

(10)

通過上述采用改進(jìn)G1-MCW計(jì)算出排序后各病害指標(biāo)的權(quán)重，故指標(biāo)Z1～Z8的聚類權(quán)為ηj=(0.147 9，0.104 3，0.104 3，0.083 8，0.118 9，0.118 9，0.128 6，0.193 1)。其中指標(biāo)層中土體凍脹權(quán)重最大，突出了西北地區(qū)氣候寒冷導(dǎo)致土體對渡槽產(chǎn)生破壞的重要影響；準(zhǔn)則層中外表狀況權(quán)重最大，符合渡槽表現(xiàn)出的大多病險(xiǎn)問題，在建設(shè)及后期監(jiān)管中，應(yīng)加大對外界環(huán)境因素土體凍脹及渡槽自身外表狀況的檢測，確保渡槽安全運(yùn)行。

3.3 各渡槽病害危險(xiǎn)性評價(jià)結(jié)果

對上述構(gòu)造的各指標(biāo)對應(yīng)各灰類的可能度函數(shù)、各指標(biāo)的聚類權(quán)及各對象關(guān)于各指標(biāo)的基本數(shù)據(jù)，采用公式7計(jì)算出評價(jià)對象對應(yīng)各灰類的聚類系數(shù)，并利用公式8確定出最終評價(jià)結(jié)果，同時(shí)與模糊綜合評價(jià)結(jié)果進(jìn)行對比(見表6)。

表4 指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果

表5 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果

表6 渡槽病害危險(xiǎn)性評價(jià)結(jié)果

采用改進(jìn)G1-MCW權(quán)重確定方法和灰色定權(quán)聚類模型對引大入秦工程總干渠、東一干渠及東二干渠的典型渡槽進(jìn)行病害危險(xiǎn)性評價(jià)，得出總干渠渡槽為中度危險(xiǎn)，東一干渠渡槽為輕度危險(xiǎn)，東二干渠渡槽情況復(fù)雜，中度、重度及極度危險(xiǎn)均有存在，其結(jié)果與現(xiàn)場勘查結(jié)果基本符合，但與模糊綜合評價(jià)結(jié)果具有一定區(qū)別。模糊綜合評價(jià)法具有較大的主觀性，評價(jià)結(jié)果具有一定的隨機(jī)性，結(jié)合實(shí)際調(diào)查情況，本文提出的評價(jià)模型降低了主觀性，提高了客觀性，評價(jià)結(jié)果更加符合實(shí)際狀況。

莊浪河渡槽A10評價(jià)結(jié)果最為突出，主要蘭武鐵路二線穿過莊浪河渡槽，對其產(chǎn)生共振荷載及外界環(huán)境的影響使得其病害危險(xiǎn)性為極度危險(xiǎn)。

4 結(jié) 論

(1) 本文通過構(gòu)建改進(jìn)G1-MCW權(quán)重確定方法和灰色定權(quán)聚類模型，著重對數(shù)據(jù)本身存在的關(guān)系進(jìn)行挖掘，避免了人為主觀因素的干擾，更加有效的解決了渡槽病害危險(xiǎn)性評價(jià)指標(biāo)歸屬于不同危險(xiǎn)類別時(shí)，渡槽病害危險(xiǎn)性綜合評價(jià)結(jié)果的客觀性。

(2) 通過確定渡槽病害指標(biāo)權(quán)重，得出土體凍脹影響因素最為突出，其符合西北地區(qū)自然環(huán)境特點(diǎn)，但通過準(zhǔn)則層權(quán)重的確定，其外表狀況因素權(quán)重占比最大，故而應(yīng)對西北地區(qū)在役渡槽所處環(huán)境的土體凍脹性及自身外表狀況進(jìn)行不定期檢測，對出現(xiàn)問題采取有效方法進(jìn)行解決，保障渡槽安全運(yùn)行，充分發(fā)揮出長距離調(diào)水工程中的利用率，提高經(jīng)濟(jì)性。